鲅鱼罐头热杀菌中水分迁移与品质变化

张 彪，易 宽，张 微，林 峻 鑫，李 冬 梅，2，3

(1.大连工业大学 食品学院，辽宁 大连 116034；2.大连工业大学 国家海洋食品工程技术研究中心，辽宁 大连 116034；3.大连工业大学 海洋食品精深加工关键技术省部共建协同创新中心，辽宁 大连 116034)

0 引 言

杀菌是罐头生产中最重要关键控制点，通过杀灭容易引起腐败的微生物如肉毒杆菌和脂肪芽孢杆菌及其芽孢等，使食物达到长时间保存和增加风味的目的。常用的杀菌方法有加热杀菌[1]、高压杀菌[2]、微波杀菌[3]等，其中热杀菌是最传统、也是应用最广泛的杀菌方法。热力杀菌强度F值是指在特定的致死温度下将一定数量的某种微生物全部杀死所需的时间[4]，121 ℃的杀菌温度下使得嗜热脂肪芽孢杆菌死亡，累计致死率下降5个对数单位[5]，确定F0制定杀菌公式达到商业无菌的目的。

热杀菌会影响罐头产品的风味、质构以及水分状态[6]。食品中的水分含量及其状态与食品加工和贮藏时的结构特性及稳定性密切相关[7]。低场核磁技术(LF-NMR)采集到样品信号峰面积仅与样品所含有水的质子数相关，可以通过弛豫时间快速准确的获得分子的动力学信息，在测定时不需要破坏和污染样品，已广泛应用于食品加工的品质监控，如热加工[8]、冻藏[9]、干制[10]等，但很少有关于热杀菌条件下的罐头水分迁移规律与品质关系的研究。

本实验使用LF-NMR和磁共振成像(MRI)技术研究不同的热杀菌条件对鲅鱼罐头水分状态的影响，分析水分迁移规律与鱼肉品质之间的关系。监测鱼肉在不同热杀菌条件下的pH、挥发性盐基氮(TVB-N)及硫代巴比妥酸值(TBA)、质构、色泽指标的变化。通过扫描电子显微镜(SEM)观察鱼肉的微观结构。利用偏最小二乘法回归(PLSR)模型分析将LF-NMR应用于预测鱼肉罐头杀菌后品质的可能性。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

鲅鱼(Scomberomorusniphonius)，辽宁省大连市新长兴市场采购，储存于实验室-18 ℃冻藏室，每次实验前取样。酱汁中包含大料、桂皮、香叶、花椒、食盐、糖、味精、淀粉等调味品，均来自大连当地市场。

ASQ-81J电炸炉，广州市艾士奇电器科技有限公司；C100包装机，德国Multivac公司；ZM-100反压灭菌锅，广州标际包装设备有限公司；MesoQMR23-060H核磁共振分析仪，苏州(上海)纽迈电子科技有限公司；SevenCompact S210-B pH计，梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司；UV-5100B紫外可见分光光度计，上海元析仪器有限公司；K9840全自动凯氏定氮仪，山东海能科学仪器有限公司；UltraScan PRO色差仪，美国亨特联合实验室有限公司；TA.XT plus质构仪，英国Stable Micro System公司；JSM-7800F扫描电镜仪，日本东京电子株式会社。

1.2 方 法

1.2.1 鲅鱼罐头制作工艺流程

冷冻鲅鱼→4 ℃冷藏室解冻→取肉(去皮、去头、去内脏、去骨)→鱼肉切块(20 mm×20 mm×15 mm)→油炸(170 ℃，2 min)→装袋→调味(鱼块和酱汁质量比为3∶7)→封口→杀菌→冷却→测定

1.2.2 热杀菌处理

整个杀菌过程中的杀菌强度F0可以通过式(1)得到。

(1)

式(1)中：t为杀菌时间，s；θ为杀菌温度，℃；θref为参考温度，121 ℃；Z=10 ℃

一般杀菌式表示为

(t1-t2-t3)/θ

(2)

式(2)中：t1为升温时间，min；t2为恒温时间，min；t3为降温时间，min；θ为杀菌温度，℃。

缩短升温和降温的时间尽量减小此阶段对整个杀菌过程的影响。升温时间控制在11 min，利用反压装置控制降温时间在8 min。设计4组恒温杀菌的温度-时间组合(11-80-8min/115℃)、(11-50-8min/117℃)、(11-32-8min/119℃)、(11-20-8min/121℃)，其等效杀菌程度均为F0=20 min。

1.2.3 LF-NMR和MRI测定

水分子中氢质子的运动特征利用低场核磁共振分析仪来检测，质子共振频率(SF)为21 MHz，测量温度为32 ℃。将处理完成的样品吸干表面水分，放置于直径40 mm的样品管中，磁场强度0.5 T，测量温度为32 ℃，每个样品重复3次。

横向弛豫时间T2采用CPMG序列进行测定。测试条件参数：采样频率[2]200 kHz，开始采样时间(RFD)0.02 ms。90°脉冲时间(P1)12 μs，180°脉冲时间(P2)25 μs，重复间隔时间(TW)4 000 ms，回波个数(NECH)2 000，累计采样次数(NS)8，模拟增益(RG1)20 dB，数字增益(DRG1)3 dB，最后在Multi Exp Inv Analysis软件反演获得T2图谱，对各峰面积进行累计积分得到峰面积。其中，迭代次数为105次，弛豫时间的范围为0.01～1 000 ms。

对样品进行MRI成像分析，采用SE脉冲序列获得样品的T2加权成像。成像的主要参数设置：视野范围(FOV)100 mm×100 mm，主频21 MHz，90°射频脉宽2.8%，180°射频脉宽4.9%，重复时间1 200 ms，回波时间19 ms。设定层数1，选层宽度5 mm，选层厚度2 mm。获取鱼肉样品的剖面信息，质子密度图经Horos Mac软件处理，形成伪彩图进行分析。

1.2.4 质构测定

使用质构分析仪对鱼块的质构进行测定。测定参数包括硬度、弹性、咀嚼性、回复性、黏聚性。测定参数：测定模式TPA，探头型号P6，测前速率2.00 mm/s，测试速率1.00 mm/s，测后速率1.00 mm/s，压力为5 N，压缩深度30%，时间间隔5 s，压缩2次，6个平行样品，取平均值。

1.2.5 pH测定

参考GB 5009.237—2016方法，每50 mL蒸馏水中含有鱼肉5 g，3个平行样品，取pH平均值。

1.2.6 TBA测定

取冻干后的鱼肉样品10 g，研细，加50 mL 7.5%的三氯乙酸(含0.1% EDTA)，15 000 r/min匀浆30 s，再过滤。取5 mL滤液，加入5 mL 0.02 mol/L的TBA溶液，30 min沸水浴。取出后流水冷却10 min。4 ℃、8 000 r/min离心10 min，取上清液。在532 nm处测定反应溶液的吸光度。

1.2.7 TVB-N测定

参照GB 5009.228—2016方法测定TVB-N。

1.2.8 色度测定

使用测色仪测定加工处理前后的鱼块样品，通过测定CIE模型的亮度(L*)、红绿值(a*)及黄蓝值(b*)进行色泽分析，3个平行样品。

1.2.9 SEM测定

参考Krystyna[11]的方法，将处理好的样品用刀片切成边长5 cm的正方体，在2.5%戊二醛溶液中固定24 h，用0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液清洗3次，再用30%、50%、70%、90%、100%乙醇逐级脱水，每次脱水20 min。将样品进行冷冻干燥，喷金，通过扫描电镜仪进行观察。

1.2.10 商业无菌检测

参照GB 4789.26—2013方法进行商业无菌检测。

1.2.11 统计分析

2 结果与讨论

2.1 T2弛豫时间分析

弛豫时间体现了鱼肉样品内部氢质子的状态，与氢质子的自由度及其所受的束缚力相关，能直接反应水分子的分布情况。图1显示了T2弛豫时间分布情况，从图1中可以看出，新鲜样品、油炸后尚未杀菌的样品以及不同杀菌时间的罐头样品，均出现了3个弛豫峰，杀菌后的4组样品相比油炸后的样品，T22弛豫时间均下降，说明高温杀菌会增加肌原纤维对不易流动水的束缚力，原因可能是热杀菌使凝胶体系中蛋白质的超微结构和剪切模量改变，外水化层的水分子部分移动被限制[12]。4组杀菌条件中，弛豫时间的峰值T2随着杀菌温度的升高略有降低，但变化并不显著(P>0.05)，说明在相同F下，杀菌温度和时间对水的束缚力的影响较小。

T21,结合水；T22,不可移动水；T23,自由水图1 不同热杀菌条件下鲅鱼的T2弛豫图谱Fig.1 Spin-spin relaxation spectra (T2) of mackerel sterilized at different conditions

不同的杀菌条件结合水比例变化并不显著(P>0.05)。不易流动水的比例从89.50%显著下降到86.74%(P<0.05)，而自由水从6.58%显著上升至8.70%(P<0.05)。说明热杀菌过程中，T22不易流动水可以向T23自由水转化[13]，自由水含量升高。杀菌温度由121 ℃降低到115 ℃时，At由602.22减小到563.66，变化显著(P<0.05)，说明在相同的F下，杀菌时间越长，鱼肉的持水率降低，水分含量越低，对鱼块肉质的影响越大。

2.2 MRI分析

从图2可以发现，鱼块内部的水分分布并不均匀，可能鲅鱼结构不均匀使得受热不均导致，外部的凝胶结构相比内部更容易受到破坏，水分从边缘开始流失。图2(a)和图2(d)相比，信号弱，亮度低，说明杀菌时间越长，水分向外迁移越多，不易流动水与自由水的总含量越低，鱼肉的保水性越小。说明高温短时杀菌有利于增加保水性，而保水性的高低可直接影响肉的品质[14]。

图2 不同热杀菌条件鲅鱼的T2加权磁共振图像Fig.2 T2 weighted magnetic resonance images of mackerel sterilized at different conditions

2.3 质构分析

由图3(a)、(b)可知，杀菌温度为115 ℃时的样品硬度和咀嚼度最高。图3(d)、(e)中119 ℃时样品弹性和回复性达到最大值，黏聚性随着杀菌温度的升高逐渐升高，在121 ℃杀菌时达到最大。高温加热改变肌原纤维蛋白结构从而影响质构特性，在相同的F下，杀菌时间越长，过度加热可能引起蛋白质的变性收缩，硬度和咀嚼度增大，弹性与回复性也随之减小，这可能就是由于鱼肉的保水性降低而导致。

(a) 硬度

2.4 理化指标分析

由图4(a)可以看出，热杀菌后鱼肉的pH较油炸后均有显著降低(P<0.05)。杀菌时间越长，pH越低。可能是在长时间的高温条件下加热，蛋白质发生不可逆变性，溶解度下降，容易发生水解[15]。随着时间的延长，水解程度的加深，使得pH降低。脂肪在高温下的水解与氧化对pH改变也有重要影响[16]。

(a) pH

(a) 11-80-8min/115℃

(a) 硬度

由图4(b)可以看出，热杀菌后鱼肉的TBA值较油炸后均有显著降低(P<0.01)。原因有两种：一是TBA受到其他醛类、褐变产物和氨基酸等的干扰[17]，和氧化的蛋白质、核酸等物质反应生成类似的化合物，影响了吸光度的检测[18]；另一个原因是丙二醛本身具有非常强的生物活性，能与氨基酸中的氨基及残基反应，引起蛋白交联，使得其含量降低[19]。F相同时，所有杀菌条件下的TBA值的变化并不显著。

由图4(c)可以看出，当121 ℃杀菌时，样品的TVB-N值为49.13 mg/kg，而当115 ℃杀菌时，样品TVB-N值显著增大(P<0.01)。高温高压使蛋白质变性加剧，部分被破坏的氨基酸进一步转化为碱性含氮物质[20]。结果表明，当F相同时，杀菌时间越长，蛋白质受破坏的程度越大，TVB-N值越高。

由图4(d)可以看出，121 ℃ 杀菌的样品L*显著高于其他(P<0.05)，颜色更亮。115 ℃处理的a*显著高于其他(P<0.05)，颜色更红。121 ℃杀菌样品显著高于其他样品的b*(P<0.05)，颜色更黄。相同的F下，杀菌时间越长，颜色越深。

2.5 扫描电镜(SEM)分析

如图5所示，在相同F下，4种肌纤维的微观结构仍然存在较为明显的差异。高温短时能够更好的保持鱼肉的微观结构，营养物质的流失减少。这与Krystyna观察到蒸煮牛肉结缔组织的结构变化与肌内胶原蛋白的溶解度和肉的结构特性的变化相一致[11]。

2.6 LF-NMR与热杀菌品质特征的相关性分析

表1为LF-NMR与各品质特征的pearson相关系数，结果用r表示，r越接近1，表示两者相关性越高。A22和质构中的硬度(r=0.924)，咀嚼度(r=0.934)及回复性(r=-0.842)显著相关，和颜色中的L*(r=-0.950)，a*(r=0.856)及b*(r=-0.887)显著相关。A23和硬度(r=-0.764)，咀嚼度(r=-0.743)及L*(r=0.768)均有显著的相关性。At与咀嚼度(r=0.926)，硬度(r=0.910)显著正相关，回复性(r=-0.841)呈现显著负相关。A22、A23、At能够很好地反映质构的变化规律。At、b*(r=-0.877)和L*(r=-0.938)表现显著负相关，与a*(r=0.847)表现显著正相关。其他理化指标与T21、T22、T23、A21的相关性不高。Steen等[21]认为横向核磁共振弛豫法是测定鳕鱼肉糜冷冻后质构变化和预测鳕鱼肉饼最终质构质量的有效方法。结果表明，L*和硬度表现出了较高的相关性。

表1 在相同F下杀菌的鲅鱼样品的NMR弛豫参数与各理化指标的相关系数Tab.1 Correlation coefficients between NMR and physicochemical indexes of mackerel samples sterilized with the same F

2.7 PLSR建立L*和硬度的预测模型

表2为PLSR模型使用内部交叉验证的参数。由PCR残余方差模型得到L*模型的最佳因子数为3，硬度模型的最佳因子数为2。

表2 热杀菌鲅鱼L*和硬度的PLSR模型参数Tab.2 The parameters of PLSR models using the mackerel’s L* and hardness after sterilized

2.8 商业无菌检测

所有实验组样品在37 ℃保温箱中贮藏10 d未出现胀袋、漏袋现象；与对照组样品的pH相差0.3(<0.5)为不显著差异；感官检验未检出有腐败迹象；涂片镜检没有微生物有明显的增值现象。

综上判断，所有样品均符合商业无菌要求。

3 结 论

鲅鱼罐头杀菌过程中，当F值不变时，杀菌时间延长，会降低鱼肉的保水性，不易流动水向自由水转化，总的峰面积逐渐减小，但结合水、不易流动水和自由水的束缚能力受杀菌温度和时间的影响较小。杀菌时间越长，杀菌对鱼肉的pH、TVB-N、TBA以及颜色的影响越大，肌纤维受到高温破坏的程度越大。LF-NMR弛豫数据与鲅鱼质构及颜色存在较为显著的相关性，利用LF-NMR监测质构及颜色的指标，对评估肉类罐头品质具有重要意义。